JP4232201B2 - Spark ignition direct injection engine - Google Patents

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Description

本発明は、火花点火式直噴エンジンに関し、特に、複数の噴口を有するインジェクタを備えた火花点火式直噴エンジンに関する。   The present invention relates to a spark ignition direct injection engine, and particularly to a spark ignition direct injection engine including an injector having a plurality of injection holes.

燃料を燃焼室内に直接噴射するインジェクタを備えた火花点火式直噴エンジンが知られている。この種のエンジンでは、圧縮行程に燃料噴射を行って点火プラグ近傍に混合気を偏在させて成層燃焼を行い、燃費を向上させることができるように構成されている。本発明はこのような技術に基づいて、開発されたものである。   There is known a spark ignition type direct injection engine provided with an injector for directly injecting fuel into a combustion chamber. This type of engine is configured to improve fuel efficiency by performing fuel injection during the compression stroke, causing the air-fuel mixture to be unevenly distributed near the spark plug and performing stratified combustion. The present invention has been developed based on such a technique.

上述したような直噴エンジンでは、全負荷時等の所定の条件下では、吸気行程に燃料噴射を行い混合気を筒内で均一に分布させて燃焼させる均一燃焼を行なっている。しかしながら、直噴エンジンでは、点火プラグ近傍に混合気を偏在させて成層燃焼を行うのに適した構成とされているため、高負荷領域等で吸気行程における燃料噴射によって均一燃焼を行わせようとすると、混合気が気化不良または不均一となり必要なトルクが得られず、また、全負荷時には、スモーク、パーティキュレート、HCが発生する等の問題が生ずることがあった。   In the direct injection engine as described above, under a predetermined condition such as at the time of full load, fuel is injected during the intake stroke, and the air-fuel mixture is uniformly distributed in the cylinder and burned uniformly. However, since the direct injection engine has a configuration suitable for performing stratified combustion by causing the air-fuel mixture to be unevenly distributed in the vicinity of the spark plug, an attempt is made to perform uniform combustion by fuel injection in the intake stroke in a high load region or the like. As a result, the air-fuel mixture becomes poorly vaporized or non-uniform, and a necessary torque cannot be obtained, and problems such as generation of smoke, particulates, and HC may occur at full load.

本願発明の発明者等は、直噴エンジンにおいて、インジェクタ噴口の軸心(燃料噴射の中心軸線)の方向等を工夫することによって、噴射された燃料の気化/ミキシングが促進され、エンジン負荷が高い領域においても、燃焼室内における混合気の均質性を向上させることができることを見出した。
本発明は、このような知見に基づいてなされたものであり、混合気の均質性が向上され、優れた特性の均一燃焼を行うことができる火花点火式直噴エンジンを提供することを目的とする。
The inventors of the present invention, in a direct injection engine, devise the direction of the axis of the injector nozzle (center axis of fuel injection) and the like, thereby promoting the vaporization / mixing of the injected fuel and increasing the engine load. It has been found that the homogeneity of the air-fuel mixture in the combustion chamber can be improved also in the region.
The present invention has been made based on such knowledge, and an object thereof is to provide a spark ignition type direct injection engine capable of improving the homogeneity of the air-fuel mixture and performing uniform combustion with excellent characteristics. To do.

本発明によれば、シリンダとシリンダヘッドとピストンとによって構成される燃焼室と、該燃焼室の上部中央に配置される電極部を有する点火プラグと、前記燃焼室の天井部に配置された吸気弁と、前記点火プラグを挟んで前記吸気弁と対向する位置に配置された排気弁と、該吸気弁に隣接して配置され前記燃焼室に燃料を噴射するインジェクタと、該インジェクタからの燃料噴射を制御する燃料噴射制御手段とを備えている火花点火式直噴エンジンであって、前記インジェクタが、前記電極部に指向された上方噴口と、前記ピストンに指向された複数の下方噴口とを備え、前記上方噴口の軸心と該上方噴口に隣接する前記下方噴口の軸心とのなす角度が、圧縮行程における前記上方噴口からの燃料噴射の噴射角の2分の1の角度と圧縮行程における該上方噴口に隣接する下方噴口からの燃料噴射の噴射角の2分の1の角度との和より大きな角度に設定され、前記複数の下方噴口のうちの隣接する2つの下方噴口の軸心間の角度が、圧縮行程における前記2つの下方噴口の一方からの燃料噴射の噴射角の2分の1の角度と、圧縮行程における前記2つの下方噴口の他方からの燃料噴射の噴射角の2分の1の角度との和以下の角度に設定され、
前記上方噴口は、それぞれの軸心が前記点火プラグの左右および下方の領域に指向された3つの噴口からなり、
前記下方噴口が、軸心が前記吸気弁の最下方位置の下方を通り前記ピストンに指向された3つの噴口からなる、
ことを特徴とする火花点火式直噴エンジンが提供される。
According to the present invention, a combustion chamber constituted by a cylinder, a cylinder head, and a piston, an ignition plug having an electrode portion disposed at the upper center of the combustion chamber, and an intake air disposed at a ceiling portion of the combustion chamber. A valve, an exhaust valve disposed at a position facing the intake valve across the ignition plug, an injector disposed adjacent to the intake valve and injecting fuel into the combustion chamber, and fuel injection from the injector A spark ignition type direct injection engine having a fuel injection control means for controlling the injector, wherein the injector includes an upper injection hole directed to the electrode portion and a plurality of lower injection holes directed to the piston. The angle formed between the axis of the upper nozzle and the axis of the lower nozzle adjacent to the upper nozzle is a half of the injection angle of fuel injection from the upper nozzle in the compression stroke and the compression stroke The angle of the center of two lower nozzles adjacent to each other among the plurality of lower nozzles is set to be larger than the sum of the angle of the fuel injection from the lower nozzle adjacent to the upper nozzle The angle between them is one half of the injection angle of fuel injection from one of the two lower nozzles in the compression stroke, and 2 of the injection angle of fuel injection from the other of the two lower nozzles in the compression stroke. It is set to an angle less than the sum of the angle of a minute ,
The upper nozzle hole is composed of three nozzle holes whose axial centers are directed to the left and right and lower regions of the spark plug,
The lower nozzle hole is composed of three nozzle holes whose axis is directed to the piston through the lowermost position of the intake valve.
A spark ignition direct injection engine is provided.

このような構成によれば、上方噴口から噴射された燃料と下方噴口から噴射された燃料とが、相互に干渉して引き合うことがなくなるので、上方噴口からの噴射された燃料は点火プラグの電極部近傍に、下方噴口から噴射された燃料はピストン冠面に確実に吹きつけられ、上方噴口からの燃料によって、電極部近傍に混合気を確実に偏在させることができる。
さらに、隣接する下方噴口の軸心が、燃料噴射が互いに干渉し合う程度に近接しているので、下方噴口からの燃料噴射が互いに引き合い、大きく拡がらない。この結果、下方噴口から噴射された燃料がシリンダ内壁に付着することが防止され、スモーク等の発生が抑制される。
According to such a configuration, the fuel injected from the upper nozzle and the fuel injected from the lower nozzle do not interfere with each other and attract each other, so that the fuel injected from the upper nozzle is the electrode of the spark plug. The fuel injected from the lower nozzle near the part is reliably blown to the crown surface of the piston, and the air-fuel mixture can be surely unevenly distributed near the electrode part by the fuel from the upper nozzle.
Furthermore, since the axial centers of the adjacent lower nozzle holes are close enough that the fuel injections interfere with each other, the fuel injections from the lower nozzle holes attract each other and do not expand greatly. As a result, the fuel injected from the lower nozzle is prevented from adhering to the cylinder inner wall, and the occurrence of smoke and the like is suppressed.

本発明の他の好ましい態様によれば、前記ピストンが冠面に形成され上方に向かって開口するキャビティを備え、前記下方噴口の軸心が、前記シリンダの中間の高さ位置に位置しているピストンのキャビティの開口縁内に指向するように配置されている。
このような構成によれば、ピストン冠面のキャビティに吹き付けられた燃料が燃焼室内に効率的に分散されるので、混合気の均質化が促進される。
According to another preferred aspect of the present invention, the piston is provided with a cavity formed on the crown surface and opening upward, and an axis of the lower nozzle is located at an intermediate height position of the cylinder. It is arranged to be directed into the opening edge of the cavity of the piston.
According to such a configuration, since the fuel sprayed into the cavity of the piston crown surface is efficiently dispersed in the combustion chamber, homogenization of the air-fuel mixture is promoted.

本発明の他の好ましい態様によれば、前記キャビティの開口は、長軸が冠面の前記排気弁の側の端から前記吸気弁の側の端に向かって延びる長円形を有する。
このような構成によれば、キャビティの開口がインジェクタからの燃料噴射に沿って延びるので、噴射された燃料が確実にキャビティ内に受け入れられ、燃料のシリンダ壁への付着が抑制され且つ燃焼室内に効率良く分散される。
According to another preferred aspect of the present invention, the opening of the cavity has an oval shape whose major axis extends from the end on the exhaust valve side of the crown surface toward the end on the intake valve side.
According to such a configuration, since the opening of the cavity extends along the fuel injection from the injector, the injected fuel is reliably received in the cavity, the adhesion of the fuel to the cylinder wall is suppressed, and the combustion chamber is Distributed efficiently.

本発明の他の好ましい態様によれば、前記キャビティが、前記吸気弁の側から前記排気弁の側に向かって次第に深くなっている。
本発明の他の好ましい態様によれば、前記燃料噴射制御手段が、高負荷または高回転領域では、吸気行程初期から燃料噴射を実行させる。
本発明の他の好ましい態様によれば、前記燃料噴射制御手段が、高負荷または高回転領域では、吸気行程中期に燃料噴射を実行させる。
本発明の他の好ましい態様によれば、前記上方噴口の軸心と該上方噴口に隣接する前記下方噴口の軸心とのなす角度が、20°以上に設定されている。
According to another preferred aspect of the present invention, the cavity gradually becomes deeper from the intake valve side toward the exhaust valve side.
According to another preferred aspect of the present invention, the fuel injection control means causes fuel injection to be executed from the beginning of the intake stroke in a high load or high speed region.
According to another preferred aspect of the present invention, the fuel injection control means causes fuel injection to be executed in the middle of the intake stroke in a high load or high speed region.
According to another preferred aspect of the present invention, an angle formed between the axis of the upper nozzle and the axis of the lower nozzle adjacent to the upper nozzle is set to 20 ° or more.

本発明によれば、混合気の均質性が向上され、優れた特性の均一燃焼を行うことができる火花点火式直噴エンジンが提供される。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the spark-ignition type direct injection engine which can improve the homogeneity of air-fuel | gaseous mixture and can perform the uniform combustion of the outstanding characteristic is provided.

以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態の火花点火式直噴エンジンの構成について詳細に説明する。図1は、本発明の実施形態の火花点火式直噴エンジン1の概略的な構成を示す図面であり、図2はエンジンの燃焼室付近を拡大した断面図である。
エンジン1は、直列に配置された4本の気筒2(図1では1本のみを示す)が形成されたシリンダブロック4と、このシリンダブロック4上に配置されたシリンダヘッド6とを備えている。気筒(シリンダ)2内には、ピストン8が上下方向に往復動可能に配置されている。
Hereinafter, a configuration of a spark ignition direct injection engine according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a spark ignition direct injection engine 1 according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an enlarged sectional view of the vicinity of a combustion chamber of the engine.
The engine 1 includes a cylinder block 4 formed with four cylinders 2 (only one is shown in FIG. 1) arranged in series, and a cylinder head 6 arranged on the cylinder block 4. . A piston 8 is disposed in the cylinder 2 so as to be able to reciprocate in the vertical direction.

ピストン8とシリンダヘッド6との間には燃焼室10が形成されている。燃焼室10は、図2に示すように、気筒2の天井部の略中央部からシリンダヘッド6の下端面付近まで延びる2つの傾斜面を備えたいわゆるペントルーフ型燃焼室とされている。
一方、シリンダブロック4内のピストン8の下方には、クランク軸12が回転自在に支持されており、このクランク軸12とピストン8とはコネクティングロッド14を介して連結されている。
A combustion chamber 10 is formed between the piston 8 and the cylinder head 6. As shown in FIG. 2, the combustion chamber 10 is a so-called pent roof type combustion chamber having two inclined surfaces extending from a substantially central portion of the ceiling portion of the cylinder 2 to the vicinity of the lower end surface of the cylinder head 6.
On the other hand, a crankshaft 12 is rotatably supported below the piston 8 in the cylinder block 4, and the crankshaft 12 and the piston 8 are connected via a connecting rod 14.

図1、図2に示されているように、シリンダヘッド6には、吸気ポート16及び排気ポート18が、それぞれ2つずつ(図1、図2では、いずれも一方のみを図示)、並列状態で形成されている。この2つの吸気ポート16は、それぞれ、燃焼室の一方の傾斜面に開口され、各吸気ポート16には、所定のタイミングで開閉作動される吸気弁20が着座する。各吸気弁20は、略円形を有し吸気ポート16を開閉する弁傘部20aと、弁傘部10aの中心から延びる棒状のステム20bとを備えた公知の形状である。また、2つの排気ポート18は、燃焼室の他方の傾斜面に並んで開口され、これらの排気ポート18には、所定のタイミングで開閉作動される排気弁22が着座する。   As shown in FIG. 1 and FIG. 2, the cylinder head 6 has two intake ports 16 and two exhaust ports 18 in parallel (only one of them is shown in FIGS. 1 and 2). It is formed with. Each of the two intake ports 16 is opened on one inclined surface of the combustion chamber, and an intake valve 20 that is opened and closed at a predetermined timing is seated on each intake port 16. Each intake valve 20 has a generally circular shape and includes a valve umbrella portion 20a that opens and closes the intake port 16, and a rod-shaped stem 20b that extends from the center of the valve umbrella portion 10a. The two exhaust ports 18 are opened alongside the other inclined surface of the combustion chamber, and an exhaust valve 22 that opens and closes at a predetermined timing is seated on these exhaust ports 18.

図3は、ピストン8の冠面(頂面)を示す平面図であり、図4は図3のIV−IV線に沿った断面図である。図2乃至図4に示されているように、ピストン8の冠面には、上方に向かって開口する凹状のキャビティ9が形成されている。   3 is a plan view showing a crown surface (top surface) of the piston 8, and FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line IV-IV in FIG. As shown in FIGS. 2 to 4, a concave cavity 9 opening upward is formed on the crown surface of the piston 8.

ピストン8の冠面のキャビティ9は、図3に示されているように、排気弁側が幅広となった長円形(略卵形)の上端開口(開口縁9a)を備え、開口縁9aの長手方向軸線Aは、隣接して配置された吸気弁20、20間および排気弁22、22間を通って、吸気弁20の側に位置する冠面の端から排気弁22の側に位置する冠面の端に延びるように、配置されている。
また、キャビティ9は、図2に示されているように、吸気弁20から排気弁22側に向かって次第に深さが深くなるように形成され、さらに、図4に示されているように、その開口縁9aは円弧状の断面(アール形状)とされている。
As shown in FIG. 3, the cavity 9 on the crown surface of the piston 8 is provided with an oval (substantially oval) upper end opening (opening edge 9a) having a wide exhaust valve side, and the length of the opening edge 9a is long. The direction axis A passes between the adjacent intake valves 20 and 20 and between the exhaust valves 22 and 22, and the crown positioned on the exhaust valve 22 side from the end of the crown surface located on the intake valve 20 side. It arrange | positions so that it may extend to the edge of a surface.
Further, as shown in FIG. 2, the cavity 9 is formed so as to gradually become deeper from the intake valve 20 toward the exhaust valve 22 side, and further, as shown in FIG. The opening edge 9a has an arcuate cross section (R shape).

図1に示すように、エンジン1の一側面には、各気筒2の吸気ポート16にそれぞれ連通する吸気通路24が接続されている。この吸気通路24は、エンジン1の燃焼室6にエアクリーナ(不図示)で濾過された吸気を供給するためのものであり、その上流側から下流側に向かって順に、エンジン1に吸入される吸入空気量を検出するためのホットワイヤ式エアフローセンサ26と、吸気通路24を絞る電気式スロットル弁28と、サージタンク30とが配置されている。電気式スロットル弁28は、アクセルペダル(不図示)に対し機械的に連結されておらず、図示しない電気式駆動モータにより駆動される。   As shown in FIG. 1, an intake passage 24 that communicates with the intake port 16 of each cylinder 2 is connected to one side of the engine 1. The intake passage 24 is for supplying the intake air filtered by an air cleaner (not shown) to the combustion chamber 6 of the engine 1, and the intake sucked into the engine 1 sequentially from the upstream side to the downstream side. A hot wire air flow sensor 26 for detecting the amount of air, an electric throttle valve 28 for restricting the intake passage 24, and a surge tank 30 are arranged. The electric throttle valve 28 is not mechanically connected to an accelerator pedal (not shown) and is driven by an electric drive motor (not shown).

また、吸気通路24は、サージタンク30よりも下流側が各気筒2に接続された独立通路に分岐され、その各独立通路の下流端部は、さらに2つに分岐して各気筒の2つの吸気ポート16にそれぞれ接続されている。   Further, the intake passage 24 is branched into independent passages connected to the cylinders 2 on the downstream side of the surge tank 30, and the downstream end portion of the independent passages is further branched into two to provide two intake air for each cylinder. Each port 16 is connected.

また、燃焼室10の上部中央には、4つの吸排気弁20、20、22、22の略中心に、点火プラグ32が配置されている。この点火プラグ32の先端の電極32aは、燃焼室10の天井部から所定距離だけ突出した位置にあり、その点火プラグ32の基端部には点火回路34が接続されており、気筒2毎に所定のタイミングで点火プラグ32に通電するように構成されている。   A spark plug 32 is disposed at the center of the upper portion of the combustion chamber 10 at substantially the center of the four intake / exhaust valves 20, 20, 22, 22. An electrode 32 a at the tip of the spark plug 32 is located at a position protruding a predetermined distance from the ceiling of the combustion chamber 10, and an ignition circuit 34 is connected to the base end of the spark plug 32. The ignition plug 32 is energized at a predetermined timing.

各燃焼室10の周縁部の吸気弁20間にはインジェクタ36が取付けられている。インジェクタ36は、先端部に複数の噴口が形成された所謂マルチホール型のインジェクタであり、点火プラグ32の電極部32aを挟んで、排気弁22と対向するように配置されている。各インジェクタ36は燃料分配管38が接続されている。燃料分配管38は、燃料供給系40から供給される高圧の燃料を各インジェクタ36に供給する。   An injector 36 is attached between the intake valves 20 at the peripheral edge of each combustion chamber 10. The injector 36 is a so-called multi-hole injector in which a plurality of injection holes are formed at the tip, and is disposed so as to face the exhaust valve 22 with the electrode portion 32a of the spark plug 32 interposed therebetween. Each injector 36 is connected to a fuel distribution pipe 38. The fuel distribution pipe 38 supplies high-pressure fuel supplied from the fuel supply system 40 to each injector 36.

エンジン1の他側面には、図1に示すように、燃焼室10から排気ガスを排出する排気通路42が接続されている。この排気通路42の上流端は、分岐して各気筒2の排気ポート18に接続される排気マニホールド44とされている。排気マニホールド44の集合部には排気中の酸素濃度を検出するリニアO2センサ46が配置されている。リニアO2センサ46は排気中の酸素濃度に基づいて空燃比を検出する。   As shown in FIG. 1, an exhaust passage 42 that exhausts exhaust gas from the combustion chamber 10 is connected to the other side of the engine 1. The upstream end of the exhaust passage 42 is an exhaust manifold 44 that is branched and connected to the exhaust port 18 of each cylinder 2. A linear O2 sensor 46 for detecting the oxygen concentration in the exhaust gas is disposed at the collection portion of the exhaust manifold 44. The linear O2 sensor 46 detects the air-fuel ratio based on the oxygen concentration in the exhaust.

また、排気マニホールド44の集合部には、排気管48の上流端が接続されている。排気管48には、上流側から下流側に向けて順に、三元触媒50、NOx吸収触媒52が取付けられている。NOx吸収触媒52は、排気中の酸素濃度の高いときNOxを吸着する一方、酸素濃度の低下に伴い吸着していたNOxを放出し、放出したNOxを排気中のHC、CO等により還元するNOx吸着還元タイプの触媒である。   Further, the upstream end of the exhaust pipe 48 is connected to the collecting portion of the exhaust manifold 44. A three-way catalyst 50 and a NOx absorption catalyst 52 are attached to the exhaust pipe 48 in order from the upstream side to the downstream side. The NOx absorption catalyst 52 adsorbs NOx when the oxygen concentration in the exhaust gas is high, releases NOx adsorbed as the oxygen concentration decreases, and reduces the released NOx by HC, CO, etc. in the exhaust gas. It is an adsorption reduction type catalyst.

また、排気管48には、排気ガスの一部を吸気系に還流させるEGR通路54の上流端が接続されている。EGR通路54の下流端は、スロットル弁28とサージタンク30との間で吸気通路24に接続されている。また、EGR通路54には、開度が電気的に調整可能であるEGR弁56が設けられている。   The exhaust pipe 48 is connected to an upstream end of an EGR passage 54 that recirculates a part of the exhaust gas to the intake system. The downstream end of the EGR passage 54 is connected to the intake passage 24 between the throttle valve 28 and the surge tank 30. The EGR passage 54 is provided with an EGR valve 56 whose opening degree can be adjusted electrically.

図1に示されているように、エンジン1は、ECU(エンジンコントロールユニット)58を備えている。ECU58には、クランク軸12の回転角度(エンジン回転数)を検出するクランク角センサ60、エアフローセンサ26、リニアO2センサ46、アクセル開度センサ62等の種々のセンサからの出力信号が入力され、入力された出力信号に基づいて、点火回路34、インジェクタ36、電気式スロットル弁28、EGR弁56等の作動が制御される。   As shown in FIG. 1, the engine 1 includes an ECU (engine control unit) 58. The ECU 58 receives output signals from various sensors such as a crank angle sensor 60 that detects the rotation angle (engine speed) of the crankshaft 12, the airflow sensor 26, the linear O2 sensor 46, and the accelerator opening sensor 62, Based on the input output signal, the operations of the ignition circuit 34, the injector 36, the electric throttle valve 28, the EGR valve 56, and the like are controlled.

図5(a)は、本実施形態のエンジン1において行われる燃料噴射制御で用いられる制御マップを示す。図5(a)に示されているように、本実施形態のエンジンではECU58の制御により、燃料を吸気行程と圧縮行程とに分けて噴射させる分割噴射制御と、燃料を吸気行程で1回噴射させる一括噴射制御が切り換えて行われる。
すなわち、本実施形態のエンジンでは、エンジン低回転領域では低負荷から、中回転領域では高負荷のときに、高回転領域では中負荷から分割噴射が行われ、他の領域では一括噴射とされている。これは一般的に直噴ガソリンエンジンでは中回転領域では混合気が均質化し易いので、本実施形態では、中回転領域では、高負荷領域だけで分割噴射としている。尚、中回転領域では高負荷領域でも分割噴射を行わない構成でもよい。
Fig.5 (a) shows the control map used by the fuel-injection control performed in the engine 1 of this embodiment. As shown in FIG. 5 (a), in the engine of the present embodiment, split injection control in which fuel is injected separately into an intake stroke and a compression stroke, and fuel is injected once in an intake stroke, under the control of the ECU 58. The batch injection control to be performed is performed by switching.
That is, in the engine of the present embodiment, split injection is performed from a low load in the engine low rotation region, a high load in the middle rotation region, a medium load in the high rotation region, and a batch injection in the other regions. Yes. In general, in a direct-injection gasoline engine, the air-fuel mixture is easily homogenized in the middle rotation region. Therefore, in the present embodiment, the split injection is performed only in the high load region in the middle rotation region. In the middle rotation region, a configuration in which divided injection is not performed even in a high load region may be employed.

また、高回転域での均質化を狙ったエンジンでは、図5(b)に示されているように、高回転域では一括噴射あるいは分割噴射を開始する負荷が高くなるような制御特性に設定してもよい。このようなエンジンの場合には、回転数が低くなるほど一括噴射では均質性が悪化するため、低回転になるほど分割噴射を開始する負荷を低く設定している。   Also, as shown in Fig. 5 (b), the control characteristics are set so that the load for starting batch injection or split injection becomes high in the high rotation range for an engine aimed at homogenization in the high rotation range. May be. In the case of such an engine, the homogeneity deteriorates in the collective injection as the rotational speed becomes lower. Therefore, the load for starting the divided injection is set lower as the rotational speed becomes lower.

さらに、低回転域での均質化を狙ったエンジンでは、図5(c)に示されているように、全回転域において、高負荷側で分割噴射を行う制御特性に設定してもよい。   Further, in an engine aiming at homogenization in a low rotation range, as shown in FIG. 5C, control characteristics for performing split injection on the high load side in the entire rotation range may be set.

本実施形態の分割噴射では、図6のタイムチャートに示されているように、吸気行程で1回、圧縮行程で2回の合計3回の燃料噴射が行われる。吸気行程での噴射は、吸気流の流速が高くなる吸気行程中期に行われるのが好ましい。具体的には、吸気行程における噴射時期は、上死点後(ATDC)0°〜100°に噴射を開始し、上死点後(ATDC)100°〜200°に噴射が完了するように吸気行程における噴射時期を設定するのが好ましく、上死点後(ATDC)60°〜120°の範囲に噴射時期が存在するように設定するのがより好ましい。   In the divided injection of the present embodiment, as shown in the time chart of FIG. 6, fuel injection is performed three times in total, once in the intake stroke and twice in the compression stroke. The injection in the intake stroke is preferably performed in the middle of the intake stroke where the flow velocity of the intake flow is high. Specifically, the injection timing in the intake stroke is such that the injection starts at 0 ° to 100 ° after top dead center (ATDC) and completes at 100 ° to 200 ° after top dead center (ATDC). It is preferable to set the injection timing in the stroke, and it is more preferable to set so that the injection timing exists in the range of 60 ° to 120 ° after top dead center (ATDC).

また、圧縮行程での第1の噴射は、筒内圧が高くなり噴射された燃料の動きが抑制される時期である圧縮行程中期以降の、例えば、圧縮上死点前(BTDC)30°〜140°の時期に行われるのが好ましい。   The first injection in the compression stroke is, for example, before the compression top dead center (BTDC) 30 ° to 140 after the middle of the compression stroke, which is the time when the cylinder pressure becomes high and the movement of the injected fuel is suppressed. It is preferably performed at the time of °.

さらに、圧縮行程での第2の噴射は、ピストンが上死点に近づいて噴射燃料が押し上げられる時期である圧縮行程中期以降の、例えば、圧縮上死点前(BTDC)0°〜90°の時期に行われるのが好ましい。   Further, the second injection in the compression stroke is, for example, before the compression top dead center (BTDC) 0 ° to 90 ° after the middle of the compression stroke, which is a time when the piston approaches the top dead center and the injected fuel is pushed up. It is preferred to be done at the time.

吸気行程での燃料噴射の噴射量Q1と、圧縮行程での第1回目の燃料噴射の噴射量Q2と、圧縮行程での第2回目の燃料噴射の噴射量Q3とは、Q1>Q2≧Q3の関係を満たすように設定されている。
さらに、高負荷領域では、Q2>Q3の関係が満たされるように、それ以外の領域ではQ2≧Q3の関係が満たされるように、燃料噴射量が設定されている。
The injection amount Q1 of the fuel injection in the intake stroke, the injection amount Q2 of the first fuel injection in the compression stroke, and the injection amount Q3 of the second fuel injection in the compression stroke are: Q1> Q2 ≧ Q3 It is set to satisfy the relationship.
Further, the fuel injection amount is set so that the relationship of Q2> Q3 is satisfied in the high load region and the relationship of Q2 ≧ Q3 is satisfied in the other regions.

次に、インジェクタ36の先端部に形成されている複数の噴口64の配置について説明する。図7はインジェクタ36の先端における複数の噴口の配置を示す図面である。図7に示されているように、本実施形態のインジェクタ36の噴口は、上方に配置された3つの噴口(上方噴口)64a、64b、64cと、下方に配置された3つの噴口(下方噴口)64d、64e、64fからなる。本実施形態では、各噴口は同一直径(約0.15mm)であり、更に、各噴口から噴射される燃料の拡がり(噴射角)も約20度で同一である。   Next, the arrangement of the plurality of nozzle holes 64 formed at the tip of the injector 36 will be described. FIG. 7 is a view showing the arrangement of a plurality of nozzle holes at the tip of the injector 36. As shown in FIG. 7, the injector 36 of the present embodiment has three nozzle holes (upper nozzles) 64 a, 64 b, 64 c arranged above, and three nozzle holes (lower nozzles) arranged below. ) 64d, 64e, 64f. In this embodiment, each nozzle hole has the same diameter (about 0.15 mm), and further, the spread (injection angle) of fuel injected from each nozzle hole is the same at about 20 degrees.

図8は、インジェクタ36の軸心Lと、各噴口64a、64b、64c、64d、64e、64fの軸心66a、66b、66c、66d、66e、66fとの三次元傾斜角を模式的に示した図である。
図8に示されているように、上方噴口64a、64bの軸心66a、66b、即ち、燃料噴射方向(噴射される燃料の中心軸)は、それぞれ、点火プラグ32の電極部32aの左右の領域に指向するように配置されている。さらに、もう一つの上方噴口64cの軸心66cは、電極部32aの下方領域に指向するように配置されている。
FIG. 8 schematically shows a three-dimensional inclination angle between the axis L of the injector 36 and the axes 66a, 66b, 66c, 66d, 66e, 66f of the nozzle holes 64a, 64b, 64c, 64d, 64e, 64f. It is a figure.
As shown in FIG. 8, the axial centers 66a and 66b of the upper injection holes 64a and 64b, that is, the fuel injection direction (center axis of the injected fuel) are respectively left and right of the electrode part 32a of the spark plug 32. It is arranged to be oriented to the area. Furthermore, the axis 66c of the other upper nozzle hole 64c is arranged so as to be directed to the lower region of the electrode portion 32a.

下方噴口64d、64e、64fは、その軸心66d、66e、66fが、ピストン8の冠面に指向するように配置されている。同時に、下方噴口64d、64e、64fの軸心66d、66e、66fは、図8に一点鎖線で示す左右の吸気弁の最大リフトする際の軌跡より下方であり且つ二点差線で示す下死点に位置するピストン8の端部より上方に指向されている。即ち、下方噴口64d、64e、64fから噴射されて燃料は、最大リフトしている吸気弁の下方を通過し、且つ、ピストン8が下死点にあるときであってもピストン8の冠面に指向されるように配置されている。   The lower nozzle holes 64d, 64e, and 64f are arranged such that their axial centers 66d, 66e, and 66f are directed toward the crown surface of the piston 8. At the same time, the shaft centers 66d, 66e, 66f of the lower nozzle holes 64d, 64e, 64f are below the locus of maximum lift of the left and right intake valves shown by the one-dot chain line in FIG. It is directed upward from the end of the piston 8 located at the position. That is, the fuel injected from the lower injection holes 64d, 64e, and 64f passes under the intake valve that is lifted to the maximum, and even when the piston 8 is at the bottom dead center, Arranged to be oriented.

さらに、下方噴口64d、64e、64fは、その軸心66d、66e、66fが、ピストン8が中間位置にあるときには、キャビティ9の開口縁9aの内側に、それぞれ、指向するように配置されている。   Further, the lower nozzle holes 64d, 64e, and 64f are arranged so that their axial centers 66d, 66e, and 66f are respectively directed inside the opening edge 9a of the cavity 9 when the piston 8 is in the intermediate position. .

図9は、隣接する噴口の軸心間の角度とこれらの噴口からの噴射角との関係を示す図面である。図9に示されているように、本実施形態のインジェクタ36では、上方噴口64cの軸心66cと、この上方噴口64cに隣接する下方噴口64fの軸心66fとのなす角度Θが、圧縮行程における上方噴口64cからの燃料噴射の噴射角αの2分の1の角度と圧縮行程における下方噴口64fからの燃料噴射の噴射角βの2分の1の角度との和より大きな角度に設定されている。   FIG. 9 is a drawing showing the relationship between the angles between the axes of adjacent nozzle holes and the injection angles from these nozzle holes. As shown in FIG. 9, in the injector 36 of the present embodiment, the angle Θ formed by the axis 66c of the upper nozzle 64c and the axis 66f of the lower nozzle 64f adjacent to the upper nozzle 64c is the compression stroke. Is set to a larger angle than the sum of the angle 1/2 of the injection angle α of the fuel injection from the upper injection port 64c and the angle of one half of the injection angle β of the fuel injection from the lower injection port 64f in the compression stroke. ing.

ここで以上のように説明してきた噴射角α(β)の定義について図10に沿って説明する。噴射角α(β)とは、インジェクタ36からの幾何学的な燃料噴射エリアの開き角を指す。幾何学的な燃料噴射エリアとは、仮に燃焼室10内に吸気流動がないとした場合における燃料噴霧の液滴エリアのことである。
以下、具体例について説明する。図10に示すように、インジェクタ36の噴口部A点から20mm下流の位置において、噴霧中心線が通る仮想平面と燃料噴霧の輪郭が交差する二点B、Cを決定し、∠BACをもって噴射角α(β)とする(α=∠BAC)。
Here, the definition of the injection angle α (β) described above will be described with reference to FIG. The injection angle α (β) refers to the opening angle of the geometric fuel injection area from the injector 36. The geometric fuel injection area is a droplet area of fuel spray when there is no intake flow in the combustion chamber 10.
Hereinafter, specific examples will be described. As shown in FIG. 10, at a position 20 mm downstream from the injection hole A point of the injector 36, two points B and C where the imaginary plane through which the spray center line passes and the contour of the fuel spray intersect are determined, and the injection angle is expressed by ∠BAC Let α (β) (α = ∠BAC).

噴射角α(β)の実際の計測方法としては、例えばレーザーシート法を用いる。すなわち、先ず、インジェクタ36により噴射される流体として燃料性状相当のドライソルベルトなる試料を用い、この試料の圧力を常温下において実際に使用される燃料圧力の範囲内の所定値(例えば、12MPa)に設定する。また、雰囲気圧力としては、噴霧の撮影が可能なレーザー通過窓と計測用窓とを備えた圧力容器を例えば、0.5MPaに加圧する。そして常温下において、1パルス当たりの燃料噴射量が9mm3/strokeになるように、インジェクタ36に所定パルス幅の駆動パルス信号を入力して燃料を噴射させる。この際、燃料噴霧に対してその噴霧中心線を通るように厚さ5mmのレーザーシート光を照射しておいて、このレーザーシート光面に対して直交する方向から高速度カメラにて噴霧画像を撮影する。そして、上述の駆動パルス信号の入力時期から1.56ミリ秒後の撮影画面に基づいて、上述の定義に従って噴射角α(β)を決定する。
尚、撮影画像における噴霧の輪郭というのは、液滴状の試料粒子のエリアの輪郭であり、試料粒子のエリアはレーザーシート光によって明るくなるため、撮影画像において輝度の変化している部分から噴霧の輪郭を割り出すようにしている。
As an actual measurement method of the injection angle α (β), for example, a laser sheet method is used. That is, first, a sample of a dry sol belt corresponding to the fuel property is used as the fluid ejected by the injector 36, and the pressure of this sample is a predetermined value (for example, 12 MPa) within the range of the fuel pressure actually used at room temperature. Set to. Moreover, as an atmospheric pressure, the pressure vessel provided with the laser passage window which can image | photograph spraying, and the window for a measurement is pressurized to 0.5 Mpa, for example. Then, a drive pulse signal having a predetermined pulse width is input to the injector 36 to inject fuel so that the fuel injection amount per pulse becomes 9 mm 3 / stroke at room temperature. At this time, a laser sheet light having a thickness of 5 mm is irradiated to the fuel spray so as to pass through the spray center line, and a spray image is taken with a high-speed camera from a direction orthogonal to the laser sheet light surface. Take a picture. Then, the injection angle α (β) is determined in accordance with the above definition based on the imaging screen 1.56 milliseconds after the input timing of the above drive pulse signal.
Note that the spray contour in the photographed image is the contour of the droplet-shaped sample particle area, and since the sample particle area is brightened by the laser sheet light, the spray is sprayed from the portion where the brightness changes in the photographed image. I try to figure out the outline.

本実施形態では、各噴口64a、64b、64c、64d、64eおよび64fの噴射角は20°であり、上方噴口64cの軸心66cと下方噴口64fの軸心66fとのなす角度Θは、30°に設定されている。即ち、本実施形態では、最も近接する上方噴口の軸心と下方噴口の軸心とが20度以上、離されている。   In the present embodiment, the injection angle of each of the nozzle holes 64a, 64b, 64c, 64d, 64e, and 64f is 20 °, and the angle Θ formed by the axis 66c of the upper nozzle 64c and the axis 66f of the lower nozzle 64f is 30. Set to °. In other words, in the present embodiment, the axis of the closest upper nozzle hole and the axis of the lower nozzle hole are separated by 20 degrees or more.

このような配置によって、上方噴口64cとこれに隣接する下方噴口64fから噴射された燃料の円錐状経路が重なることがなくなり、従って、上方噴口から噴射された燃料と下方噴口から噴射された燃料(噴霧)同士の相互干渉が無く、噴霧同士の引き合い接触が防止される。   With such an arrangement, the conical path of the fuel injected from the upper nozzle 64c and the lower nozzle 64f adjacent to the upper nozzle 64c does not overlap. Therefore, the fuel injected from the upper nozzle and the fuel injected from the lower nozzle ( There is no mutual interference between the sprays, and the contact between the sprays is prevented.

また、図11は、隣接する下方噴口の軸心間の角度とこれらの噴口からの噴射角との関係を示す図面である。図11に示されているように、隣接する下方噴口64dと64fの軸心66dと66fの開き角Φは、圧縮行程における下方噴口64dからの燃料噴射の噴射角γの2分の1の角度と圧縮行程における下方噴口64fからの燃料噴射の噴射角δの2分の1の角度との和以下の角度に設定されている。同様に、隣接する下方噴口64eと64fの軸心66eと66fの開き角も、圧縮行程における下方噴口64eからの燃料噴射の噴射角の2分の1の角度と圧縮行程における下方噴口64fからの燃料噴射の噴射角の2分の1の角度との和以下の角度に設定されている。   FIG. 11 is a drawing showing the relationship between the angles between the axes of adjacent lower nozzle holes and the injection angles from these nozzle holes. As shown in FIG. 11, the opening angle Φ of the axial centers 66d and 66f of the adjacent lower injection holes 64d and 64f is an angle that is half the injection angle γ of the fuel injection from the lower injection hole 64d in the compression stroke. And an angle equal to or less than the sum of the angle ½ of the injection angle δ of the fuel injection from the lower injection port 64f in the compression stroke. Similarly, the opening angle of the axial centers 66e and 66f of the adjacent lower nozzle holes 64e and 64f is also half of the injection angle of fuel injection from the lower nozzle hole 64e in the compression stroke and from the lower nozzle hole 64f in the compression stroke. The angle is set to be equal to or smaller than the sum of the angle of the fuel injection and one-half of the injection angle.

このように各下方噴口64d、64e、64fの軸線66d、66e、66fの開き角は、互いに20度より小さい設定されているので、各下方噴口各下方噴口64d、64e、64fからの燃料噴射の円錐状経路が重なり、噴射された燃料は互いに干渉して引き合うことになる。   As described above, the opening angles of the axis lines 66d, 66e, 66f of the lower nozzle holes 64d, 64e, 64f are set to be smaller than 20 degrees, so that the fuel injection from the lower nozzle holes 64d, 64e, 64f of the lower nozzle holes is performed. The conical paths will overlap and the injected fuel will attract and interfere with each other.

隣接する下方噴口64dと64f(および64eと64f)から噴射されて燃料は、相互に干渉して引き合いながらピストン8のキャビティに向かって飛ぶことになるため、噴射された燃料が飛散してシリンダ内壁に付着することが抑制される。   The fuel injected from the adjacent lower injection holes 64d and 64f (and 64e and 64f) will fly toward the cavity of the piston 8 while attracting each other while interfering with each other. Adhering to is suppressed.

本発明は上記実施形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された技術事項の範囲内で種々の変更又は変形が可能である。
上記実施形態では、高負荷または高回転領域では、燃料を分割して噴射する構成であったが、高負荷または高回転領域には、吸気行程初期または中期から燃料を一括噴射する構成でもよい。このような構成によれば、混合気の均質性が向上する。
さらに、上方噴口および下方噴口の数および配置は、上記実施形態に限定されるものではなく、エンジンの条件等に合わせて適宜変更可能である。
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various changes or modifications can be made within the scope of the technical matters described in the claims.
In the above embodiment, the fuel is divided and injected in the high load or high rotation region. However, the fuel may be injected into the high load or high rotation region from the beginning or the middle of the intake stroke. According to such a configuration, the homogeneity of the air-fuel mixture is improved.
Furthermore, the number and arrangement of the upper nozzle holes and the lower nozzle holes are not limited to the above-described embodiment, and can be changed as appropriate according to engine conditions and the like.

本発明の好ましい実施形態の火花点火式直噴エンジンの概略的な構成を示す図面である。It is drawing which shows schematic structure of the spark ignition direct injection engine of preferable embodiment of this invention. 図1のエンジンの燃焼室付近を拡大した断面図である。It is sectional drawing to which the combustion chamber vicinity of the engine of FIG. 1 was expanded. 図1のエンジンのピストン冠面を示す平面図である。It is a top view which shows the piston crown surface of the engine of FIG. 図3のIV−IV線に沿った断面図である。FIG. 4 is a sectional view taken along line IV-IV in FIG. 3. 図1のエンジンにおいて行われる燃料噴射制御の制御マップである。2 is a control map of fuel injection control performed in the engine of FIG. 1. 図1のエンジンにおける分割噴射時の燃料噴射のタイムチャートである。It is a time chart of the fuel injection at the time of the division | segmentation injection in the engine of FIG. 図1のエンジンにおける噴口の配置を示す図面である。It is drawing which shows arrangement | positioning of the nozzle hole in the engine of FIG. インジェクタの軸心と、各噴口の軸心との三次元傾斜角を模式的に示した図である。It is the figure which showed typically the three-dimensional inclination | tilt angle of the axial center of an injector, and the axial center of each nozzle hole. 隣接する上方噴口と下方噴口の軸心間の角度と、各噴口からの噴射角との関係を示す模式的な図面である。It is typical drawing which shows the relationship between the angle between the axial center of an adjacent upper nozzle hole and a lower nozzle hole, and the injection angle from each nozzle hole. 本発明の実施形態に係る噴射角の定義を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the definition of the injection angle which concerns on embodiment of this invention. 隣接する下方噴口の軸心間の角度と、各噴口からの噴射角との関係を示す模式的な図面である。It is a typical drawing which shows the relationship between the angle between the axial centers of an adjacent lower nozzle hole, and the injection angle from each nozzle hole.

符号の説明Explanation of symbols

1:エンジン
2:気筒
10:燃焼室
20:吸気弁
22:排気弁
32:点火プラグ
36:インジェクタ
64:噴口
64a、64b、64c:上方噴口
64d、64e、64f:下方噴口
66a、66b、66c、66d、66e、66f:(噴口の)軸心
1: Engine 2: Cylinder 10: Combustion chamber 20: Intake valve 22: Exhaust valve 32: Spark plug 36: Injector 64: Injection holes 64a, 64b, 64c: Upper injection holes 64d, 64e, 64f: Lower injection holes 66a, 66b, 66c, 66d, 66e, 66f: axial center of the nozzle

Claims (7)

シリンダとシリンダヘッドとピストンとによって構成される燃焼室と、該燃焼室の上部中央に配置される電極部を有する点火プラグと、前記燃焼室の天井部に配置された吸気弁と、前記点火プラグを挟んで前記吸気弁と対向する位置に配置された排気弁と、該吸気弁に隣接して配置され前記燃焼室に燃料を噴射するインジェクタと、該インジェクタからの燃料噴射を制御する燃料噴射制御手段とを備えている火花点火式直噴エンジンであって、 前記インジェクタが、前記電極部に指向された上方噴口と、前記ピストンに指向された複数の下方噴口とを備え、
前記上方噴口の軸心と該上方噴口に隣接する前記下方噴口の軸心とのなす角度が、圧縮行程における前記上方噴口からの燃料噴射の噴射角の2分の1の角度と圧縮行程における該上方噴口に隣接する下方噴口からの燃料噴射の噴射角の2分の1の角度との和より大きな角度に設定され、
前記複数の下方噴口のうちの隣接する2つの下方噴口の軸心間の角度が、圧縮行程における前記2つの下方噴口の一方からの燃料噴射の噴射角の2分の1の角度と、圧縮行程における前記2つの下方噴口の他方からの燃料噴射の噴射角の2分の1の角度との和以下の角度に設定され、
前記上方噴口は、それぞれの軸心が前記点火プラグの左右および下方の領域に指向された3つの噴口からなり、
前記下方噴口が、軸心が前記吸気弁の最下方位置の下方を通り前記ピストンに指向された3つの噴口からなる、
ことを特徴とする火花点火式直噴エンジン。
A combustion chamber constituted by a cylinder, a cylinder head, and a piston; an ignition plug having an electrode portion disposed at an upper center of the combustion chamber; an intake valve disposed at a ceiling portion of the combustion chamber; and the ignition plug An exhaust valve disposed at a position opposed to the intake valve across the fuel cell, an injector disposed adjacent to the intake valve and injecting fuel into the combustion chamber, and fuel injection control for controlling fuel injection from the injector A spark ignition type direct injection engine comprising: an injector having an upper injection hole directed to the electrode portion; and a plurality of lower injection holes directed to the piston;
The angle formed by the axis of the upper nozzle and the axis of the lower nozzle adjacent to the upper nozzle is a half of the injection angle of fuel injection from the upper nozzle in the compression stroke, and the angle in the compression stroke. Is set to an angle greater than the sum of the angle of the fuel injection from the lower nozzle adjacent to the upper nozzle
The angle between the axial centers of two lower nozzle holes adjacent to each other among the plurality of lower nozzle holes is a half of the injection angle of fuel injection from one of the two lower nozzle holes in the compression stroke, and the compression stroke. Is set to an angle that is equal to or less than the sum of the angle of the fuel injection from the other of the two lower injection nozzles at one half .
The upper nozzle hole is composed of three nozzle holes whose axial centers are directed to the left and right and lower regions of the spark plug,
The lower nozzle hole is composed of three nozzle holes whose axis is directed to the piston through the lowermost position of the intake valve.
This is a spark ignition direct injection engine.
前記ピストンが冠面に形成され上方に向かって開口するキャビティを備え、
前記下方噴口の軸心が、前記シリンダの中間の高さ位置に位置しているピストンのキャビティの開口縁内に指向するように配置されている、
請求項に記載の火花点火式直噴エンジン。
The piston has a cavity formed on the crown surface and opening upward;
The axis of the lower nozzle hole is arranged so as to be directed into the opening edge of the cavity of the piston located at an intermediate height position of the cylinder,
The spark ignition direct injection engine according to claim 1 .
前記キャビティの開口は、長軸が冠面の前記排気弁の側の端から前記吸気弁の側の端に向かって延びる長円形を有する、
請求項1または2に記載の火花点火式直噴エンジン。
The opening of the cavity has an oval shape whose long axis extends from the end on the exhaust valve side of the crown surface toward the end on the intake valve side,
The spark ignition direct injection engine according to claim 1 or 2 .
前記キャビティが、前記吸気弁の側から前記排気弁の側に向かって次第に深くなっている、
請求項1ないしのいずれか1項に記載の火花点火式直噴エンジン。
The cavity gradually becomes deeper from the intake valve side toward the exhaust valve side,
The spark ignition direct injection engine according to any one of claims 1 to 3 .
前記燃料噴射制御手段が、高負荷または高回転領域では、吸気行程初期から燃料噴射を実行させる、
請求項1ないしのいずれか1項に記載の火花点火式直噴エンジン。
The fuel injection control means is configured to execute fuel injection from the initial stage of the intake stroke in a high load or high rotation range;
The spark ignition direct injection engine according to any one of claims 1 to 4 .
前記燃料噴射制御手段が、高負荷または高回転領域では、吸気行程中期に燃料噴射を実行させる、
請求項1ないしのいずれか1項に記載の火花点火式直噴エンジン。
The fuel injection control means causes the fuel injection to be executed in the middle of the intake stroke in a high load or high rotation range;
The spark ignition direct injection engine according to any one of claims 1 to 5 .
前記上方噴口の軸心と該上方噴口に隣接する前記下方噴口の軸心とのなす角度が、20°以上に設定されている、
請求項1ないしのいずれか1項に記載の火花点火式直噴エンジン。
The angle formed by the axis of the upper nozzle and the axis of the lower nozzle adjacent to the upper nozzle is set to 20 ° or more.
The spark ignition direct injection engine according to any one of claims 1 to 6 .
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